CN101373591A

CN101373591A - 一种多孔材料低频吸声结构

Info

Publication number: CN101373591A
Application number: CNA2007101206603A
Authority: CN
Inventors: 王晓林
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2027-08-23
Also published as: CN101373591B

Abstract

本发明提供了一种多孔材料低频吸声结构，包括外壳和多孔吸声板，所述外壳的底端开口，所述多孔吸声板安装于所述外壳靠底部的内壁上，并由一透声层封住所述外壳底端的开口。所述多孔吸声板与所述外壳的顶部之间具有空腔，所述多孔吸声板由多孔金属材料制作，并在其中填充粘滞液体。本发明具有如下技术效果：本发明用于在流体中、特别是在液体中且尤其是在水中吸收声音。由于采用了机械强度高于玻璃纤维或化学纤维的金属多孔材料吸声板，并且采用了基于共振和粘滞的吸声机理，本发明的吸声结构能在特定的低频范围内在一定厚度下达到规定的指标，同时能够保持该吸声结构的高强度特性。

Description

一种多孔材料低频吸声结构

技术领域

本发明涉及吸声装置，具体地说，本发明涉及一种低频吸声结构。

背景技术

多孔材料作为有效的吸声材料已被广泛应用于降噪，例如像玻璃纤维板和微穿孔板这样的材料常被用于吸收空气中的噪声。此外，多孔橡胶也常被用于水下吸声。

多孔材料的基本吸声机理在Zwikker和Kosten的著作“Sound AbsorbingMaterials”(纽约，Elsevier，1949)中已有系统阐述，Allard后来又在其著作“Propagation of Sound in Porous Media”(伦敦，Elsevier，1993)中做了进一步的系统描述。几十年来也出现了不少用于处理多孔介质吸声问题的模型，特别是考虑弹性多孔介质在流体介质中声传播的Biot理论以及马大猷先生的用于微穿孔板的近似公式。但是，前者处理起来比较复杂，后者的公式只用于空气中声音吸收。而在实际应用中，尤其是水下低频吸声问题，对一些特定的吸声要求，比如特定低频范围内在特定厚度吸声层内，吸声系数必须达到一定指标。但是由于吸声结构和吸声材料的参数比较多，如何实现低频薄层吸声结构一直是人们关注的问题。

随着主动声纳的频率范围向低频扩展，对水下船体的消声技术也有了更高的要求。水下船体表面上敷设一层吸声材料用作低频消声的困难是当水声在低频时，比如500Hz，水波波长大约在数米的量级。如果用常规材料作船壳包敷层则会使得船壳的厚度在工程上过厚。常用的水下吸声材料主要有具有孔洞的橡胶，其基本原理是利用孔洞的变形将入射的纵波能量部分转变为横波能量。由于一般情况下水的剪切强度很小，被转变为横波的入射声波能量很难再被反射回水中。但是橡胶多孔材料在受到水下高压影响时孔洞的变形会影响其吸收频率范围。所以利用适当的高强度多孔材料是解决高压变形问题的一个可行方法。法国曾有报道利用陶瓷多孔材料降低水下回声，其材料厚度大约10cm，在3kHz附近反射回声降低大约20-30dB(Treny C，Garnier B，de Montigny R，Audoly C，Beretti S，the UnderseasDefense Technology conference，191，1995)。近年来，多孔金属泡沫以及多孔金属纤维等多孔金属的出现使得人们也关注其声学特性。但是，人们尚不清楚如何以及怎样将多孔金属实用于水下低频降噪。

发明内容

基于上述现有技术，本发明的目的是要提供一种基于共振和粘滞机理的吸声结构。

为了完成上述目的，本发明提供的多孔材料低频吸声结构包括外壳、多孔吸声板和透声层，所述外壳的底端开口，所述多孔吸声板安装于所述外壳靠底部的内壁上，所述多孔吸声板与所述外壳的顶部之间具有空腔；所述透声层封住所述外壳底端的开口；所述多孔吸声板是由金属材料制成的具有连通孔结构的吸声板；所述多孔吸声板的孔结构中充有粘滞流体。

上述技术方案中，所述金属材料制成的具有连通孔结构的吸声板包括具有通孔结构的金属板、金属纤维制作的多孔板、藕状多孔金属制作的多孔板、开孔金属泡沫制作的多孔板或金属粉末烧结材料制作的具有连通孔结构的多孔板。

上述技术方案中，所述粘滞流体是粘滞液体。

上述技术方案中，所述外壳由刚性背衬和刚性壁组成。

上述技术方案中，所述粘滞液体包括蓖麻油、硅油或者甘油。

上述技术方案中，所述多孔吸声板的板厚为2mm-20mm，所述空腔的深度为1mm-100mm。

上述技术方案中，所述多孔吸声板的孔结构迂曲度x满足1≤x≤3。

上述技术方案中，当所述多孔吸声板的孔结构迂曲度x＝1时，所述多孔吸声板的孔隙率大于0.04；当所述多孔吸声板的孔结构迂曲度x满足1<x≤1.3时，所述多孔吸声板的孔隙率大于0.1；当所述多孔吸声板的孔结构迂曲度x满足1.3<x≤3时，所述多孔吸声板的孔隙率大于0.4。

上述技术方案中，该吸声结构的外形为圆柱形或立方柱形。

本发明具有如下技术效果：本发明用于在流体中、特别是在液体中且尤其是在水中吸收声音。由于采用了机械强度高于玻璃纤维或化学纤维的金属多孔材料吸声板，并且采用了基于共振和粘滞的吸声机理，本发明的吸声结构能在特定的低频范围(如1Hz至1kHz)内在一定厚度下(如小于50mm)达到规定的指标(如吸声系数大于0.8)，同时能够保持该吸声结构的高强度特性。当本发明的多孔吸声板由铝合金或其它合金制成时，可以进一步减轻重量。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是根据孔结构迂曲度确定不同填充粘滞液、孔隙率及空气静流阻率下吸声结构空腔深和吸声板厚的匹配示例图。

图3是直通孔金属材料吸声板实施例的吸声系数α与频率f关系的实验结果。

图4是具有孔结构迂曲度1.3的多孔金属材料吸声板实施例的吸声系数α与频率f关系的理论计算结果。

图5是具有孔结构迂曲度3的多孔金属材料吸声板实施例的吸声系数α与频率f关系的理论计算结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

图1是本发明一个实施例的结构示意图。如图1所示，吸声结构1是外壳、透声层6和多孔吸声板3构成，其中外壳由刚性背衬4和刚性壁7组成，形成一中空且无底的圆柱形结构。所述透声层6安装在所述刚性壁7的底部，盖住所述圆柱形结构的底部开口。所述多孔吸声板3为多孔金属材料制成的吸声板。该多孔吸声板3安装于所述刚性壁7的内侧，且多孔吸声板3外壳的刚性背衬4之间形成空腔5，该空腔5中可以充入空气或其它气体。所述多孔吸声板3的孔状结构中还充有粘滞液体2。具体实现中可将粘滞液体2充入该吸声结构1的底部并使所述多孔吸声板3完全浸于粘滞液体2中，所述透声层6与刚性壁7之间密封连接，使得粘滞液体2保持在所述吸声结构1中。

本实施例的吸声结构1特别适合于应用于水中吸声。入射声波透过透声层6进入吸声结构1，引起多孔吸声板3中粘滞液体2的振动。粘滞液体增强声音在穿过吸声板的孔中时与孔壁间的摩擦，消耗更多的声波能量。而空腔5形成共振腔结构，降低了共振吸收频率。

下面进一步地深入描述本实施例的各具体细节。

本实施例中，多孔吸声板2可选则由铝合金或其它合金制成具有通孔的板状结构，也可由其它多孔金属材料制成。这里的多孔金属材料是指具有连通孔结构的金属材料。多孔金属纤维、藕状多孔金属、开孔金属泡沫或者具有连通孔结构的金属粉末烧结材料也属于本发明多孔金属材料的范畴。本实施例中粘滞液体5可以是蓖麻油、硅油或者甘油。

本实施例中，调整不同的粘滞液体、吸声板的孔隙率及空气静流阻率即可确定具有某个孔结构迂曲度的多孔材料为吸收某频率达到某吸声系数所需的空腔深和板厚的范围。图2为孔结构迂曲度x＝1，孔隙率Ω＝0.05，空气静流阻率σ＝2kNsm^-4，填充硅油并吸收500Hz水下噪声时的空腔深和板厚的匹配图，图中的等值线为吸声系数。k_c，L_c分别为空腔填充介质的波数和空腔深，k_s，L_s分别为多孔板内填充介质的波数和板厚。从图中可知板厚大约6mm-20mm，空腔深1mm-100mm均可达到较好的吸声效果。

就直通孔(孔结构迂曲度x＝1)金属材料吸声板来说，当它被用于吸声结构中以便进行水下吸声时，多孔吸声板3中填充有硅油(黏度约为1000cs)、蓖麻油或者其它的粘滞液体。此时，为了使吸声系数在频率为1Hz至1kHz范围内达到0.8以上，多孔吸声板2空气静流阻率优选大于2kNsm^-4，孔隙率优选大于0.04，此时吸声结构的厚度小于50mm。

当孔结构迂曲度不是1时，粘滞液体2采用黏度约为1000cs的硅油或者蓖麻油或其它的粘滞液体。此时，为了使吸声系数在频率为1Hz至10kHz范围内达到0.8以上，空气静流阻率优选大于2kNsm^-4。

当孔结构迂曲度x满足1<x≤1.3时，孔隙率优选大于0.1，多孔吸声板的厚度可选为不大于20mm，并且空腔的深度可选为不大于30mm；当孔结构迂曲度x满足1.3<x≤3时，孔隙率优选大于0.4，多孔吸声板的厚度可选为不大于20mm，并且空腔的深度可选为不大于30mm。此时的吸声结构厚度可小于50mm。

图3是直通孔金属材料吸声板实施例的吸声系数α与频率f关系的实验结果。该吸声结构的多孔吸声板的孔结构迂曲度为1、孔隙率0.05、板厚20mm，空腔深度为9mm，透声层厚6mm，并且多孔吸声板具有2.864kNsm^-4的空气静流阻率。

图4是具有孔结构迂曲度1.3的多孔金属材料吸声板实施例的吸声系数α与频率f关系的理论计算结果。该吸声结构的多孔吸声板的孔结构迂曲度为1.3、孔隙率为0.9、板厚20mm，空腔深度为10mm，并且多孔吸声板具有2kNsm^-4的空气静流阻率。

图5是具有孔结构迂曲度3的多孔金属材料吸声板实施例的吸声系数α与频率f关系的理论计算结果。该吸声结构的多孔吸声板的孔结构迂曲度为3、孔隙率为0.9、板厚20mm，空腔深度10mm，并且多孔吸声板具有2kNsm^-4的空气静流阻率。

本实施中，虽然外壳的形状为圆柱形，但本发明的外壳形状并不限于此。可根据具体的工程应用改变为其它形状，比如立方柱形。

此外，本发明也可在其它流体中起吸声作用。本发明中的粘滞液体也可替换为其它粘滞流体，如橄榄油。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种多孔材料低频吸声结构，包括外壳、多孔吸声板和透声层，所述外壳的底端开口，所述多孔吸声板安装于所述外壳靠底部的内壁上，所述多孔吸声板与所述外壳的顶部之间具有空腔；所述透声层封住所述外壳底端的开口；所述多孔吸声板是由金属材料制成的具有连通孔结构的吸声板；所述多孔吸声板的孔结构中充有粘滞流体。

2.根据权利要求1所述的吸声结构，其特征在于，所述金属材料制成的具有连通孔结构的吸声板包括具有通孔结构的金属板、金属纤维制作的多孔板、藕状多孔金属制作的多孔板、开孔金属泡沫制作的多孔板或金属粉末烧结材料制作的具有连通孔结构的多孔板。

3.根据权利要求1所述的吸声结构，其特征在于，所述粘滞流体是粘滞液体。

4.根据权利要求1所述的吸声结构，其特征在于，所述外壳由刚性背衬和刚性壁组成。

5.根据权利要求3所述的吸声结构，其特征在于，所述粘滞液体包括蓖麻油、硅油或者甘油。

6.根据权利要求5所述的吸声结构，其特征在于，所述多孔吸声板的板厚为2mm-20mm，所述空腔的深度为1mm-100mm。

7.根据权利要求1或6所述的吸声结构，其特征在于，所述多孔吸声板的孔结构迂曲度χ满足1≤χ≤3。

8.根据权利要求7所述的吸声结构，其特征在于，当所述多孔吸声板的孔结构迂曲度χ＝1时，所述多孔吸声板的孔隙率大于0.04。

9.根据权利要求7所述的吸声结构，其特征在于，当所述多孔吸声板的孔结构迂曲度χ满足1<χ≤1.3时，所述多孔吸声板的孔隙率大于0.1。

10.根据权利要求7所述的吸声结构，其特征在于，当所述多孔吸声板的孔结构迂曲度χ满足1.3<χ≤3时，所述多孔吸声板的孔隙率大于0.4。

11.根据权利要求1所述的吸声结构，其特征在于，该吸声结构的外形为圆柱形或立方柱形。